DE3402500C1

DE3402500C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver

Info

Publication number: DE3402500C1
Application number: DE3402500A
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Nyby Uddeholm Powder AB
Current assignee: Nyby Uddeholm Powder AB
Priority date: 1984-01-25
Filing date: 1984-01-25
Publication date: 1985-08-01
Also published as: CS273161B2; PL251656A1; CS47285A2; EP0150755A2; IL74135A; DK161571C; DK32685A; NO164220C; SU1563584A3; DD232212A5; MX162212A; KR900009217B1; AU575518B2; KR850005303A; ES539751A0; NO164220B; IN163942B; DK161571B; PT79874B; BR8500319A

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalltröpfchen in einem Winkel von 10 bis 80 Grad, insbesondere etwa 40 bis 50 Grad, gegenüber der Horizontalen schräg nach oben gerichtet durch den sich konvergierend verengenden Durchgang in den Expansionsraum geblasen werden.

3. Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2,

gekennzeichnet durch

a) einen einen Schmelztiegel (3) umschließenden Aufnahmebehälter (2);

b) ein über dem Schmelztiegel (3) angeordnetes und aus demAufnahmeraum (2) herausgeführtes Steigrohr (7);

c) eine Einrichtung (5) zum Anheben des Schmelztiegels (3) innerhalb des Aufnahmebehälters (2) und/oder zum Absenken des Steigrohres (7) derart, daß dieses in die Metallschmelze eintauchbar ist;

d) eine in den Aufnahmebehälter (2) mündende Gasdruckleitung (11,12), durch die nicht-reaktives bzw. inertes Gas inden Aufnahmebehälter (2) einleitbar ist unter Ausbildung eines Behälterinnendruckes, der die Metallschmelze bei eingetauchtem Steigrohr (7) in diesem nach oben drückt;

e) eine in das Steigrohr (7) mündende Gasdruckleitung (13, 14, 15), durch die der im Steigrohr

(7) ansteigenden Metallschmelze ein nicht-reaktives bzw. inertes Gas, vorzugsweise Argon, unter Ausbildung von Metallschaum zumischbar ist;

f) eine an das obere Ende des Steigrohres (7) angeschlossene Pulverisierungskammer (8), in die ebenfalls eine Gasdruckleitung (17,18) mündet, eo durch die Gas, vorzugsweise nicht-reaktives bzw. inertes Gas, unter hohem Druck einblasbar ist; und

g) einen an die Pulverisierungskammer (8) angeschlossenen Sammelbehälter (10), wobei der Durchgang (9) von der Pulverisierungskammer

(8) zum Sammelbehälter (10) konvergierend ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren, der Metallschmelze zugewandten Ende des Steigrohres (7) eine durch die Metallschmelze zerstörbare Abdeckung (Kappe 7a) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergierende Durchgang (9) von der Pulverisierungskammer (8) zum Sammelbehälter (10) etwa 10 bis 80 Grad, insbesondere 40 bis 50 gRad, gegenüber der Horizontalen schräg nach oben gerichtet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdruckleitungen (11; 13; 17) jeweils Gasdruck-Regulierventile (20) aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmebehälter (2) ein Überdruckventil (19) oder dergleichen aufweist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben einer Metallschmelze aus einem Steigrohr.

Die Bedeutung von Metallpulver zur Herstellung von Metallgegenständen, insbesondere von Gegenständen komplizierter Form, wird zunehmend größer. Aus diesem Grunde gibt es eine entsprechend große Anzahl von Vorschlägen für ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Metallpulver, wobei die bekannten Lösungen sowohl verfahrenstechnisch als auch vorrichtungsmäßig aufwendig und damit entsprechend teuer sind. Auch ist der Energiebedarf bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen relativ hoch. Insbesondere gewährleisten die bekannten Verfahren und Vorrichtungen keine gleichbleibende Metallpulver-Qualität.

Aus der DE-AS 12 85 098 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, und zwar in erster Linie zur Herstellung von kleinen Metallkügelchen, wie sie für Kugelschreiber, Kugellager oder dergleichen benötigt werden. Bei der bekannten Lösung wird ein aufrechtes Steigrohr in eine Metallschmelze getaucht und um seine Längsachse in Drehung versetzt. Über am oberen Ende des Steigrohres von einem zentralen Steigkanal ausgehend sich etwa radial nach außen erstreckende Kanäle wird im Steigrohr bzw. Steigkanal ansteigende Metallschmelze unter Ausbildung von sich verfestigenden Schmelztröpfchen abgeschleudert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch das bzw. die mit minimalem konstruktiven, verfahrenstechnischen und Energie-Aufwand Metallpulver hoher gleichbleibender Qualität, insbesondere ohne Hohlräume, herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Patentanspruches 1 und vorrichtungsmäßig durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 3 gelöst.

Erfindungsgemäß ist Ausgang der Herstellung von Metallpulver eine Metall- bzw. Metallegierung-Schmelze, wobei der gesamte Herstellungsprozeß in einem abgeschlossenen Raum, vorzugsweise im Inertgas, insbesondere in Argon, stattfindet.

Ganz wesentlich ist die Ausbildung eines Metallschaumes durch Vermischen der Metallschmelze mit ei-

nem Gas, vorzugsweise nicht reaktivem bzw. Inertgas, und die Zerstäubung desselben in einer Pulverisierungskammer durch Beaufschlagung des Metallschaumes mittels inertem Druckgas. Der Metallschaum wird dabei in feine, zum Teil hohle Metalltröpfchen zerteilt. Das inerte Druckgas, vorzugsweise Argon, dient gleichzeitig dazu, die Metalltröpfchen aus der Pulverisierungskammcr in einen geschlossenen Expansionsraum, nämlich Sammelbehälter, durch ein in Strömungsrichtung konvergierendes Mundstück hindurch zu pressen, wodurch eine sogenannte sekundäre Zerteilung der Metalltröpfchen in noch feinere volldichte Partikel erfolgt. Die hohlen Metalltröpfchen platzen bei der sekundären Zerteilung auf. Im Expansionsraum bzw. Sammelbehälter, in dem ein wesentlich niedrigerer Druck als in der vorgeordneten Pulverisierungskammer herrscht, setzt sich also feinstes volldichtes Metallpulver ab. Aus diesem Metallpulver können Gegenstände höchster Formstabilität hergestellt werden.

mebehälters 2 angeordnete Hülse 14 hindurch aus dem Aufnahmebehälter 2 herausgeführt, wobei der Innendurchmesser der Hülse 14 größer ist als der Außendurchmesser des Steigrohres 7 und der dabei entstehende Ringraum 23 zwischen Steigrohr 7 und Hülse 14 gegenüber dem Innenraum des Aufnahmebehälters 2 einerseits (Ringdichtung 21) und der äußeren Umgebung andererseits (Ringdichtung 22) abgedichtet ist. In den Ringraum 23 mündet eine Gasdruckleitung 13,

ίο durch die in den Ringraum 23 und von diesem durch eine Öffnung 15 im Steigrohr 7 der im Steigrohr ansteigenden Metallschmelze (bei entsprechend hohem Gasdruck im Inneren des Aufnahmebehälters 2) ein Inertgas, vorzugsweise Argon, zumischbar ist, so daß die Metallschmelze das Steigrohr als Metallschaum verläßt. Der Ringraum 23 dient als Gas-Beruhigungsraum.

Am oberen, bereits außerhalb des Aufnahmebehälters 2 befindlichen Ende des Steigrohrs 7 ist eine sogenannte Pulverisierungskammer 8 angeschlossen, in die

Durch die Erfindung ist sichergestellt, daß keine Me- 20 ebenfalls über eine Öffnung 18 Inertgas, nämlich Argon, tallpartikel mit Hohlräumen verpreßt werden. An dieser unter hohem Druck einblasbar ist. Die Pulverisierungs-

Stelle sei vorsorglich erwähnt, daß der verwendete Begriff »Metall« auch Metallegierungen umfaßt, insbesondere rostfreie Stahllegierungen und Superlegierungen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Verfahrens- und Vorrichtungs-Unteransprüchen beschrieben, auf die ausdrücklich hingewiesen ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher beschrieben, die in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.

In einem allseitig gasdichten verschlossenen Aufnahmebehälter 2, der auf einer stabilen Unterlage 1 steht, ist ein Schmelztiegel 3 zur Aufnahme einer Metall- bzw. Metallegierungs-Schmelze angeordnet. Über dem Schmelztiegel 3 befindet sich ein aus dem Aufnahmebehälter 2 herausgeführtes Steigrohr 7. Mittels einer hydraulisch oder hydro-pneumatisch oder auch mechanisch angetriebenen Einrichtung kann der Schmelztiegel 3 innerhalb des Aufnahmebehälters 2 so weit angehoben werden, daß das Steigrohr 7 in die Metallschmelze eintaucht. Die Hubeinrichtung 5 ist mit einem Hubtisch 4 verbunden, auf dem der Schmelztiegel 3 befestigt ist. Am unteren, der Metallschmelze zugewandten Ende ist das Steigrohr 7 mit einer kappenartigen Abdeckung 7 a verschlossen, die beim Eintauchen des Steigrohres 7 in die Metallschmelze zerstört wird. Dem Schmelztiegel 3 ist eine Einrichtung 6 zur Erzeugung der erforderlichen Schmelzwärme zugeordnet; bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Induktionsspule bekannter Bauart, deren elektrische Anschlüsse aus dem Aufnahmebehälter 2 herausgeführt sind (Steckanschluß 24). In den Aufnahmebehälter 2 mündet eine Gasdruckleitung 11, wobei die Mündungsöffnung mit der Bezugsziffer 12 gekennzeichnet ist. Durch die Gasdruckleitung 11 ist in den Aufnahmebehälter Gas, insbesondere Inertgas, ζ. Β. Argon, einleitbar unter Ausbildung eines Behälterinnendrucks, der die Metallschmelze im Steigrohr 7 nach oben drückt, wenn dieses in die Metallschmelze eingetaucht ist. Der Gasdruck im Inneren des Aufnahmebehälters 2 wirkt auf die freie Oberfläche der Metallschmelze. Um sicherzustellen, daß im Inneren des Aufkammer 8 ist ähnlich wie der obere Teil des Steigrohres 7 von einem gegenüber der äußeren Umgebung abgedichteten Ringraum 16 umgeben, in den eine Gasdruckleitung 17 mündet. Der Ringraum 16 dient ebenso wie der Ringraum 23 als Gasberuhigungszone. Die Gasdruckleitungen 11,13 und 17 weisen jeweils Gasdruck-Regulierventile 20 auf, so daß der Druck des durch diese Leitungen eingeleiteten Gases individuell aufeinander abgestimmt werden kann. Durch die Einleitung von nicht reaktivem bzw. inertem Druckgas in die Pulverisierungskammer 8 erfolgt eine Zerstäubung bzw. Zerteilung des Metallschaums in zum Teil hohle Metalltröpfchen, die noch relativ großvolumig sind. Das in die Pulverisierungskammer 8 eingeleitete Druckgas dient zugleich dazu, die Metalltröpfchen durch einen sich konvergierend verengenden Durchgang 9 hindurch in einen Expansionsraum, d. h. Raum niedrigen Druckes, nämlich geschlossenen Sammelbehälter 10, unter Ausbildung feinsten volldichten Metallpulvers zu blasen. Von ganz wesentlicher Bedeutung ist die konvergierende Verwendung des Durchgangs 9 und die dabei erzielte Beschleunigung der Gas-Metalltröpfchen-Strömung von der Pulverisierungskammer 8 in den Sammelbehälter 10.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist der sich konvergierend verengende Durchgang 9 in einem Winkel α von etwa 45 Grad gegenüber der Horizontalen schräg nach oben gerichtet. Die Längsachse des Durchgangs 9 deckt sich dabei mit der Längsachse der Pulverisierungskammer 8.

Der sich konvergierend verengende Durchgang 9 kann als auswechselbares Mundstück ausgebildet sein, so daß abhängig von den gewählten Gasdrücken und der verwendeten Metallegierung unterschiedlich stark konvergierende Durchgänge 9 durch Einsatz eines entsprechenden Mundstücks gewählt werden können.

Zur Herstellung von Metallpulver mittels der dargestellten und beschriebenen Vorrichtung wird zunächst der mit Metallschmelze gefüllte Schmelztiegel 3 auf dem Hubtisch 4 innerhalb der Induktionsspule 6 angeordnet. Λ

Durch die Induktionsspule 6 wird gewährleistet, daß das Metall im Schmelztiegel 3 im geschmolzenen Zu-

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nahmebehälters kein unzulässig hoher Gasdruck ausge- 65 stand verbleibt. Der Aufnahmebehälter 2 wird dann gas

bildet wird, ist der Aufnahmebehälter 2 mit einem Sicherheitsventil 19 versehen.

Das Steigrohr 7 ist durch eine im Deckel des Aufnahdicht abgeschlossen und über die Gasdruckleitung 11 und Öffnung 12 mit Argongas gefüllt. Dann wird mittels der Hubeinrichtung 5 der Hubtisch 4 und damit der

Schmelztiegel 3 mit der Schmelze soweit angehoben, daß das Steigrohr 7 mit seinem unteren Ende in die Metallschmelze eintaucht, wodurch die Abdeckkappe 7 a zerstört wird. Durch den Gasdruck im Inneren des Aufnahmebehälters 2, der auf die freie Oberfläche der Schmelze wirkt, wird diese durch das Steigrohr 7 noch oben gedrückt. Gleichzeitig wird über die Leitung 13, den Ringraum 23 und die öffnung 15 im oberen Bereich des Steigrohres 7 der aufsteigenden Metallschmelze ein nicht reaktives Gas, wie Argon, zugemischt, wodurch Metallschaum entsteht. Dieser tritt in die Pulverisierungskammer 8 ein, in die durch die öffnung 18 ebenfalls Gas unter Druck eingeblasen wird derart, daß eine Zerstäubung bzw. Zerteilung des Metallschaums in zum Teil hohle Metalltröpfchen erfolgt. Durch das in die Pulverisierungskammer 8 eingeblasene Gas werden die Metalltröpfchen gleichzeitig durch den sich konvergierend verengenden Durchgang 9 hindurch in einen Sammelbehälter 10 unter Ausbildung feinster volldichter Metallpartikel geblasen. Hohle Metalltröpfchen platzen dabei auf und zerfallen in feinere Partikel bedingt durch Partialdruck-Unterschiede innerhalb und außerhalb der Metalltröpfchen-Hohlräume. Der Sammelbehälter 10 ist gegenüber der Umgebung gasdicht verschlossen.

Wie bereits dargelegt worden ist, ist der sich konvergierend verengende Durchgang 9 für die Feinzerstäubung von ganz wesentlicher Bedeutung. Bei Verwendung eines Mundstücks mit sich nicht verengendem Durchgang erhält man einen großen Anteil von hohlen Metallpartikeln, aus denen nur bedingt formstabile Gegenstände hergestellt werden können. Durch den konvergierenden Durchgang kann auch der Gasverbrauch erheblich reduziert werden.

Durch den sich konvergierend verengenden Durchgang 9 erfolgt also eine weitere Zerteilung der in der Pulverisierungskammer 8 ausgebildeten Metalltropfen, und zwar aufgrund der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit, mit der das Gas-Metalltröpfchen-Gemisch durch den Durchgang 9 strömt. Dadurch entstehen im Bereich des sich konvergierend verengenden Durchgangs 9 die erwähnten Partialdruckunterschiede, die ein Aufplatzen hohler Metalltröpfchen sowie eine weitere Zerkleinerung derselben bewirken. Dieser Effekt wird zudem bei vergleichsweise geringem Gasverbrauch erzielt.

Unter Berücksichtigung nachstehender Parameter kann der Fachmann die optimale Form des sich konvergierend verengenden Durchgangs 9 bestimmen sowie die dort herrschenden Druckverhältnisse berechnen, die die Partikelgröße und den Gasverbrauch bestimmen:

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F_d	Strömungskraft (dray force)
*c_d*	Strömungskoeffizient (dray coefficient)
Ap	Partikelgröße
S₁	Gasdichte
V	Strömungsgeschwindigkeit
gc	32,27
Vt	End- bzw. Austrittsgeschwindigkeit
Pg	Beschleunigung
Dp	Partikeldurchmesser.
	Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Metallpulver durch Zerstäuben einer Metallschmelze aus einem Steigrohr, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Vermischen einer Metallschmelze mit Gas, vorzugsweise Inertgas, unter Ausbildung einer Metallschaumes;

b) Beaufschlagen des Metallschaumes mit einem — vorzugsweise inerten — Druckgas unter Ausbildung von — zum Teil hohlen — Metalltröpfchen, wobei das Druckgas zugleich dazu dient,

c) die Metalltröpfchen unter Ausbildung feinsten volldichten Metallpulvers durch einen sich konvergierend verengenden Durchgang hindurch in einen Expansionsraum zu blasen.